JP2736278B2

JP2736278B2 - 閉鎖空間加熱装置および空間加熱方法

Info

Publication number: JP2736278B2
Application number: JP2060898A
Authority: JP
Inventors: ポール・エフ・スウェンソン
Original assignee: KONSORIDEITETSUDO NACHURARU GASU SAABISU CO Inc
Current assignee: KONSORIDEITETSUDO NACHURARU GASU SAABISU CO Inc
Priority date: 1989-03-10
Filing date: 1990-03-12
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2013-04-02
Also published as: CA2011847A1; JPH03129215A; US4976464A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、燃料燃焼式ヒートポンプ装置に関する。

（従来の技術および発明が解決しようとする課題）居住空間暖房設備における天然ガスを燃料とする燃料
燃焼式ヒートポンプ（fuel−fired heat pump）の周期
的運転（seasonal performance）は、効率が比較的低い
ことがある。周期的な暖房運転係数が、１よりは大きい
が、これとほとんど変わらない場合がしばしばある。こ
れは、ヒートポンプが使用するガスの燃料価（fuel val
ue）よりもおそらく10乃至20％だけ多い熱をヒートポン
プが屋内（house）に供給することを意味する。ガスヒ
ートポンプと関連して考えられている電気ファンおよび
ポンプを考慮すると、効率のよいガス炉、ボイラまたは
スチームパイプ式ヒータよりも、ヒートポンプを運転す
る方が実際にはコストがかかるかもしれない。代表的な
ガス燃焼式ヒートポンプの定常状態の運転係数（coeffi
cient of performance）は比較的高く、例えば、1.8の
範囲に近付けることができる。効率のロスは、屋内のサ
ーモスタットが、多くの場合10乃至15分の短い時間作動
し、次の多分15乃至20分間作動を停止するときに生ずる
サイクルロス（cycling loss）に関係してくるものと考
えられている。ヒートポンプの機構部は多くの場合屋外
にあるので、作動が停止するたびに、熱は、配管を介し
て屋内から機構部へ戻り、屋外に消散することになる。
更に、原動機またはエンジンは冷却するので、再始動す
るときには、通常の作動温度に暖まるまで１分乃至数分
間要することになり、効率の低下をきたす。

本発明は、先行技術が有する上記課題を解決するため
になされたものである。

（課題を解決するための手段）本発明は、周期的に作動する燃料燃焼式原動機により
駆動されるヒートポンプ装置の効率を高めるものであ
る。本発明によれば、作動効率は、原動機により廃棄さ
れた（rejected）熱を貯蔵する蓄熱装置を設けることに
より改善することができる。この貯蔵された熱は、原動
機とヒートポンプの作動期間と作動期間の間で使用され
る。

本発明によれば、熱要求が満足されるまでヒートポン
プを作動し、拒否され貯蔵された熱を次の熱要求サイク
ルに利用するように操作が行なわれる。かくして、各熱
要求サイクはヒートポンプにより達成され、その間の熱
要求サイクルは拒絶された熱を貯蔵することにより満足
される。例えば、1.1乃至1.2という先行技術の運転係数
を、本発明によれば、約1.6まで大きく高めることがで
きる。この運転レベルは、効率が約50％上昇することを
示すものである。

本発明のヒートポンプ装置は、居住空間の暖房を行な
うのに特に適している。更に、本発明の装置は、原動機
からの拒否された熱を貯蔵するための蓄熱装置として通
常のガス燃焼式貯蔵タイプの家庭用温水ヒータを使用す
ることができるという点で有利である。本発明は、通常
の貯蔵式温水ヒータを使用することにより、幾つかの望
ましい利点を発揮することができる。先づ、温水ヒータ
は、ヒートポンプ装置の燃料燃焼式原動機からの拒否さ
れた熱を貯蔵することができる。また、温水ヒータは、
高温の飲料水を提供するという通常の機能も行なうこと
ができる。更に、温水ヒータは、ヒートポンプが除霜モ
ードにあるときあるいは故障したときのように緊急状態
にあるときに、バックアップ（back−up）熱を提供する
ことができる。更にまた、温水ヒータは、ヒートポンプ
の容量を越える著しく過酷な熱要求があるときあるいは
ヒートポンプをほんの短時間だけ運転することが要求さ
れる場合の負荷が特に小さいときに補給熱を生成するこ
とができる。通常の貯蔵式温水ヒータを使用すると、か
かるヒータは大量生産されているので、コストを有意に
低減させることができるという利点も得られる。

従って本発明の一の観点によれば、閉鎖空間加熱装置
が提供されている。この装置は、ヒートポンプコンプレ
ッサに作動接続された熱機関と、閉鎖空間の空気と熱連
通しかつコンプレッサにより圧縮された作動流体を収容
するように接続された第１の熱交換器と、閉鎖空間の外
側の領域と熱連通しかつ第１の熱交換器から作動流体を
受けるとともに該作動流体をコンプレッサの入口へ供給
するように接続された第２の熱交換器と、熱機関により
拒否された熱を吸収する蓄熱手段と、熱を蓄熱手段から
空間の空気へ選択的に移す伝熱手段と、熱要求の期間前
記熱機関とヒートポンプコンプレッサとを作動させるこ
となく前記蓄熱手段から前記空間へ熱を伝えるように前
記伝熱手段を作動させるとともに前記熱機関とヒートポ
ンプコンプレッサの作動期間を終了させて前の熱要求を
満足させることにより、前記熱機関とヒートポンプコン
プレッサのサイクルのオンオフによる熱効率のロスを低
減させる制御手段とを備えることを特徴とする構成を備
えている。

本発明の別の観点によれば、空間加熱方法が提供され
ている。この方法は、ヒートポンプを燃料燃焼式原動機
とともに駆動して空間の加熱と原動機からの熱の回収と
該熱の蓄熱装置での貯蔵とを同時に行ない、時間的に離
れたサイクルでヒートポンプを作動させ、ヒートポンプ
の非作動の期間空間の空気を蓄熱装置の熱で加熱してヒ
ートポンプの必要な作動サイクル数を長時間少なくする
ことにより、この時間に生ずるヒートポンプのサイクル
作動の全サイクルロスを小さくすることを特徴とする構
成を備えている。

（実施例）第１図は、家庭、アパート、オフィスなどの空間のよ
うな居住領域を暖房するのに適した加熱装置（heating
system）10を示す。暖房装置10は、原動機12により駆動
されるヒートポンプコンプレッサ11と、貯蔵式（storag
e−type）温水ヒータ（hot water heater）13とを備え
ている。装置10は更に、暖房されている空間からの空気
が循環されるダクト18内に熱交換器コイル16と17を備え
ている。装置10により暖房または空調されている閉鎖空
間（closed space）は、破線19により概略示されてい
る。本発明は、暖房に関するものであるが、当業者であ
れば理解することができるように、空調されている空間
19を冷房するようにヒートポンプを作動させるために、
本技術分野において公知の適宜のバルブおよび制御素子
を設けることができるものである。例えば、米国再発行
特許第31,281号には、ヒートポンプの熱交換器をこのよ
うに逆動させるのに適したバルブ装置が記載されてい
る。

原動機12は、内燃機関またはスターリング（Stirlin
g）スチームもしくはガスタービン駆動ユニットのよう
なその他の熱エンジンであり、好ましくは、ライン20に
よって供給される天然ガスその他の可燃燃料をその燃料
とする。図示のヒートポンプコンプレッサ11は、逆ラン
キン蒸気圧縮サイクル（reverse Rankine vapor compre
ssion cycle）を発生する冷媒蒸気コンプレッサ（refri
gerant vapor compressor）であるのが好ましい。往
復、スクリュ、羽根または遠心のような種々のタイプの
コンプレッサを使用することができる。更に、逆ブレイ
トン（Brayton）ヒートポンプサイクルも使用すること
ができる。

暖房使用の場合には、冷媒流体は、ヒートポンプコン
プレッサ11が作動しているときには、空気ダクト18内に
配設されている熱交換器16と、屋外に配置されかつライ
ン22乃至24と相互接続している別のコイル即ち熱交換器
21とを介して循環する。熱は、屋外の熱交換器21におい
て冷媒流体に吸収され、屋内の熱交換器16においてこの
流体から空気へ移される。ライン23には冷媒流体膨張弁
26が配設され、冷媒が屋外の熱交換器に入るようにして
おり、ここで低圧および低温において一部が蒸気化され
る。屋外のコイル21は、動力ファン27によりコイルを循
環させることができる屋外空気と熱交換器の関係にあ
る。あるいは、屋外コイル21は、地下水のような地下媒
体またはソーラーポンド（solar pond）と熱交換関係を
もつようにすることもできる。コイル21を通過するとき
に冷媒により吸収された熱は、冷媒を蒸発させる。コン
プレッサは、蒸発した冷媒の圧力、従って、熱交換器16
に入る前の冷媒流体の凝縮温度を上昇させる。冷媒は、
熱交換器16において凝縮して熱を放出する。

比較的高温の熱は、従来の商業的に入手することがで
きる貯蔵式の温水ヒータの形態をなすユニット即ち装置
13により貯蔵するのが好ましい。かかる用途に特に適し
ているのは、米国規格協会（American National Standa
rds Institute）の規格Z21.10.に適合する装置である。

温水ヒータ13は、例えば、約114乃至190リットル（30
乃至50ガロン）の容積を有するタンク31と、タンク31の
底部中央に配設された、例えば、36,000乃至100,000btu
/時の容量を有するバーナ32とを備えている。バーナ32
は、供給ライン35から供給される天然ガスと空気とを混
合し、燃焼させる。バーナ32から生ずる燃焼生成物は、
タンク31の中央に垂直に配設された排気筒33に達し、こ
こにある水を公知の態様で加熱する。

通常のサーモスタット制御弁34が配置されていて、タ
ンク31の水の温度に応答するとともに、この温度が所定
の限度、例えば、約49℃（120゜F）よりも低くなると常
にバーナ32を作動させる。温水は、タンク31の出口36か
ら、ライン37を介して空調空間19に設けられた排水口
（sink tap）などに導かれる。公共のユーティリティ配
管のような飲用冷水源が、ライン38を介してタンク31の
入口39に接続され、蛇口において水を使用することがで
きるようにしている。

ポンプ41が、タンク31に貯蔵されている温水を空気ダ
クト18内の熱交換器17を介して循環させるように配設さ
れている。ポンプ41は、入口がタンクの出口36に接続さ
れており水を、第１の電気制御の２位置弁42、熱交換器
17に接続されたライン43、該熱交換器から第２の電気制
御の２位置弁45へ延びるライン44、ライン48、第３の電
気制御の２位置弁49およびライン46を介してタンクの入
口39へ循環する。チェック弁47が設けられていて、ポン
プ41が作動していないときに、ポンプ41と弁42との間で
熱誘導流が生ずるのを防止するようにしている。

エンジン12に拒否された熱をタンク31に収容されてい
る水に移すように、液液熱交換器51が配設されている。
熱交換器51は、健康上の理由からエンジンの冷媒がタン
ク31の飲料水と混ざり合わないようにしている。図示の
実施例においては、エンジンの冷媒は、ライン52および
53を介して熱交換器51のシェル（shell）54との間で循
環する。所望の場合には、この冷媒が、排気ガス熱交換
器の燃焼生成物のエンジン排気から公知の態様で熱を受
けるように構成することができる。ポンプ56が、エンジ
ン12が作動するときは常に作動して、シェル54を介して
冷媒を循環させるように配設されている。熱交換器51の
コイル57が、タンク31の出口36と入口39に、弁42と49を
介して接続されている。コイル57は、エンジンの作動の
際に、シェル54のエンジン冷媒から得られる熱を受ける
ように設けられている。エンジンからの拒否された熱
は、ヒートポンプの冷媒が到達する温度よりも高い温度
で得ることができるので、拒否された熱およびタンク31
と関係する熱交換器17は、ダクト18のヒートポンプ熱交
換器16の下流側にある。ブロア58が、空気を、空調され
ている空間19からダクト18を介して矢印59で示す方向へ
循環し、この空気を熱交換器16および17で加熱するよう
にしている。エンジン12とヒートポンプコンプレッサ11
は、通常は、閉鎖空間19の外に配置され、屋外の包囲体
に収納される。

サーモスタット61が、空間19の温度を監視して、コン
トローラ62に信号を供給するように設けられている。空
間19の温度が所定のレベルよりも低いときには常に、コ
ントローラは暖房装置を新規な方法で作動して暖房装置
の作動効率を高めるようになっている。本発明によれ
ば、コントローラ62は、熱要求を示すサーモスタット61
からの信号に応答して、コントローラ62によりエンジン
12がポンプコンプレッサ11を始動しかつ駆動することに
より、屋外のコイル21から屋内ダクトのコイル16へ熱を
移すようにしている。サーモスタット制御スイッチ（図
示せず）またはコントローラ62からの信号により、ブロ
ア58は、高温の流体がコイル16と17のいずれかにあると
きには常に作動して、空間19の空気をこれらの高温コイ
ルの少なくとも一方により加熱するようにしている。サ
ーモスタット61が熱要求を満足させる信号をエンジン12
に供給すると、エンジン12とヒートポンプ11は、作動が
停止される。作動中にエンジン12により拒否された熱
は、温水コイル57に送られ、次に、ポンプ41の作動によ
り、タンク31に移されて貯蔵され、またはダクトの熱交
換器コイル17に導かれて空気を温めるのに使用される。
あるいは、熱は、コントローラ62により指示される制御
弁42、45および49の位置によりタンク31とダクトのコイ
ル17の双方に送られる。

タンク31内の水は、本発明の重要な観点に従って、エ
ンジン12とヒートコンプレッサ11とが作動している期
間、適宜の回数、空間19を暖めるのに使用される。簡単
で有効な制御を行なう場合には、コントローラ62は、熱
要求が連続してある場合は、（１）ヒートポンプ11が作
動しているときと、（２）ヒートポンプは作動しておら
ずタンク31の水からの熱交換が行なわれているときとの
間で、熱供給のモードを交互させる。後者のモードにお
いては、コントローラ62は、ポンプ41を作動して水をタ
ンク31からコイル17へ循環し、更に、このモードでは、
弁42、45および49は、コントローラ62により、タンク31
から循環する水がコイル57を迂回するようにする位置に
移されるのが好ましい。第１のモードでの作動、即ち、
ヒートポンプの作動の際には、コントローラ62により決
められる弁42、45および49の位置により、エンジンが拒
否した熱は、タンク31に貯蔵され、あるいはタンク31で
の貯蔵とダクトのコイルでの熱交換とに同時に供され
る。後者の動作は、これらの弁42、45および49が図示の
位置にあるときに行なわれる。かかる後者の動作は、空
間19に給送される空気の温度が最高レベルにあるので、
熱要求が高い、特に寒い天候のときに好ましいモードで
ある。図示の配列においては、エンジン12により拒否さ
れた熱の全ては、タンク31を介して送られ、コイル17ま
たは高温飲料水に対する貯蔵および／または移送が行な
われる。

床面積が約72乃至270平方メートル（800乃至3000平方
フィート）の典型的な居住空間においては、タンク31
は、約71乃至49℃（160乃至120゜F）の温度範囲の水約15
2乃至190リットル（40乃至50ガロン）の十分な熱エネル
ギを貯蔵して、例えば、適度の熱負荷を15乃至20分間満
足させることができる。熱エネルギをもっぱらタンク31
から供給するモードでの作動により熱要求を満足させる
ことにより、本発明によれば、ヒートポンプを励磁しな
ければならない時間または１日あたりの回数を低減させ
ることができる。従って、ヒートポンプを始動しかつ作
動を停止する場合の熱サイクルロスを比例的に低減させ
ることができる。これにより、ヒートポンプの周期的な
運転係数を50％程度高めることができる。

温水ヒータ13は、ヒートポンプ原動機12により拒否さ
れた熱を好都合にかつ経済的に貯蔵する蓄熱手段を提供
するほか、バーナ32が作動するときにバックアップ熱源
として利用することができる。更に、バーナ32は、通常
よりも高い熱要求がある場合もしくはヒートポンプ回路
を公知の態様により逆動させることにより屋外のコイル
を加熱する除霜モードの際、または過酷なサイクルロス
によりヒートポンプ11を作動させることが経済的にかな
り不利である比較的熱要求が少ない場合に、ヒートポン
プ11の加熱容量を補うのに利用することができる。空間
19の熱要求が比較的低い場合、例えば、設計負荷よりも
20％以上低い場合には、コントローラ62は、エンジン12
とヒートポンプ11の作動を不連続にするとともに、バー
ナ32が所要の熱を供給することができるようにする。更
にまた、温水バーナは、飲用の温水を提供するという通
常の機能を行なう。

次に、第２図について説明すると、低温熱貯蔵容器70
が、ヒートポンプコンプレッサ11とダクトの熱交換器コ
イル16との間に介在配置されている。ライン22aおよび2
2bは第１図のライン22に対応し、同様に、ライン23aお
よび23bは第１図のライン23に対応している。蓄熱容器7
0は、水またはブライン溶液のような液体を貯蔵する。
タンク70の液体71は、コントローラ62からの命令に応答
して作動されるポンプ72により、ライン22a、23aにより
接続されたダクトのコイル16を介して循環される。ヒー
トポンプコンプレッサの回路にありかつ熱交換器即ち蒸
発器の外部の冷媒は、タンク即ち容器70の液体71に浸漬
された熱交換コイル73を通る。低温熱貯蔵容器は、第１
図の暖房装置10の操作の応答性を一層良好にすることが
できる。例えば、ヒートポンプ11は、ヒートポンプコン
プレッサ11が所定の期間に作動される回数を一層少なく
してサイクルロスを更に低減させることができるよう
に、実際の熱要求よりも長い時間運転することができ
る。更に、低温熱貯蔵容器70は、ヒートポンプ11を空調
のために作動させるときに低温貯蔵器として使用するこ
とができる。即ち、例えば、上記したように米国再発行
特許第31,281号に記載されているように、適宜の弁装置
および配管を介して熱交換器の機能を逆にすることによ
り、空間19を冷却するのに使用することができる。熱交
換器、配管および関連する制御手段（図示せず）を屋外
に配設して、ヒートポンプが空間19を冷房するのに運転
されかつタンク31の水の温度がタンクのセンサプローブ
76により監視された最大設定点に到達したときに、エン
ジンが拒否した熱を公知の態様で放出させるようにする
ことができるとともに、コントローラ62に接続すること
ができる。

センサ76により監視されるこの最大温度設定点は本発
明の装置に関して予め設定することができ、通常は、少
なくとも約71℃（160゜F）で、約93℃（200゜F）よりも低
い温度である。好ましくは手動で調節自在のタイプの通
常のサーモスタットブレンディング（blending）または
テンパリング（tempering）弁77をタンク31の出口回路
に設けて、給送される飲料水の温度を、例えば、約49℃
（120゜F）に制限することができる。タンク31に初めか
ら設けられているサーモスタットバーナ制御弁34は、テ
ンパリング弁の温度よりもわずかに低い温度に設定し、
エンジン12により拒否された熱を優先的に使用するよう
にすることができる。テンパリング弁77と貯蔵タンク31
を備える装置は、空間冷房モード作動の際に生じかつ拒
否された熱を、高温の飲料水に関する比較的短い合計最
大需要電力の期間において使用するために一時的に貯蔵
することができるので、冷房モードの際に有用となる。

上記説明は単なる例示であって、本発明の範囲から遊
離することなく構成の加入、修正または削除を行なうこ
とにより種々の変更を行なうことができる。従って、本
発明は、上記説明に限定されるものではない。

（効果）以上のように、本発明は、原動機から廃棄された（rj
ected）熱を貯蔵する蓄熱装置を設けるように構成され
ているので、この貯蔵された熱を、原動機とヒートポン
プの作動期間と作動期間の間で使用することができ、作
動効率を有意に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る暖房装置を示す概略
図、第２図は本発明の別の実施例に係る空調装置の一部
を示す概略図である。 10……暖房装置、11……ヒートポンプコンプレッサ、12
……原動機、13……温水ヒータ、16、17……熱交換器コ
イル、19……空調空間、20……ライン、21……熱交換
器、22、23、24……ライン、27……動力ファン、31……
タンク、32……バーナ、33……排気筒、34……サーモス
タット制御弁、35……供給ライン、36……出口、37……
ライン、38……ライン、39……入口、41……ポンプ、42
……２位置制御弁、43、44……ライン、45……２位置制
御弁、46……ライン、47……チェックバルブ、48……ラ
イン、49……２位置制御弁、51……液液熱交換器、52、
53……ライン、54……シェル、56……ポンプ、57……コ
イル、58……ブロア、59……矢印、62……コントロー
ラ、70……低温熱貯蔵器、76……センサ、77……テンパ
リング弁。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ヒートポンプコンプレッサに作動接続され
た熱機関と、閉鎖空間の空気と熱連通しかつコンプレッ
サにより圧縮された作動流体を収容するように接続され
た第１の熱交換器と、閉鎖空間の外側の領域と熱連通し
かつ第１の熱交換器から作動流体を受けるとともに該作
動流体をコンプレッサの入口へ供給するように接続され
た第２の熱交換器と、熱機関から廃棄された熱を吸収す
る蓄熱手段と、熱を蓄熱手段から空間の空気へ選択的に
移す伝熱手段と、熱要求の期間前記熱機関とヒートポン
プコンプレッサとを作動させることなく前記蓄熱手段か
ら前記空間へ熱を伝えるように前記伝熱手段を作動させ
るとともに前記熱機関とヒートポンプコンプレッサの作
動期間を終了させて前の熱要求を満足させることによ
り、前記熱機関とヒートポンプコンプレッサのサイクル
のオンオフによる熱効率のロスを低減させる制御手段と
を備えることを特徴とする閉鎖空間加熱装置。
【請求項２】前記蓄熱手段は通常の貯蔵式温水ヒータで
あることを特徴とする請求項１に記載の閉鎖加熱装置。
【請求項３】前記温水ヒータはバーナを備え、前記熱機
関とバーナはいずれも天然ガスを燃焼させるように配設
されていることを特徴とする請求項２に記載の閉鎖加熱
装置。
【請求項４】タンクの出口に接続された回路に設けられ
たサーモスタットブレンディング弁と飲用冷水源とを備
え、サーモスタット弁とバーナ制御弁は比較的低い設定
温度にそれぞれ設定され、更にタンクの水の温度に応答
するバーナ制御弁とは別体をなしかつタンクの温度を約
71℃（160゜F）以上に制限することにより熱機関から廃
棄された比較的多量の熱エネルギをタンクに貯蔵すると
ともに後に飲料水に使用することができるようにした温
度センサを備えることを特徴とする請求項２に記載の加
熱装置。
【請求項５】ヒートポンプを燃料燃焼式原動機とともに
駆動して空間の加熱と原動機からの熱の回収と該熱の蓄
熱装置での貯蔵とを同時に行ない、時間的に離れたサイ
クルでヒートポンプを作動させ、ヒートポンプの非作動
の期間空間の空気を蓄熱装置の熱で加熱してヒートポン
プの必要な作動サイクル数を長時間少なくすることによ
り、この時間に生ずるヒートポンプのサイクル作動の全
サイクルロスを小さくすることを特徴とする空間加熱方
法。
【請求項６】原動機から熱を回収する蓄熱装置として燃
料燃焼式自蔵ヒータを備える通常の家庭用貯蔵温水ヒー
タであることを特徴とする請求項５に記載の空間加熱方
法。
【請求項７】温水ヒータのバーナを使用してヒートポン
プにより供給される熱を補うことを特徴とする請求項５
に記載の空間加熱方法。
【請求項８】原動機と温水ヒータの燃焼を同じ燃料源を
使用して行なうことを特徴とする請求項７に記載の空間
加熱方法。
【請求項９】暖房負荷が小さい期間原動機とヒートポン
プの周期的作動を中止するとともに、燃料燃焼式ヒータ
をもっぱら作動させて加熱負荷を満足させることを特徴
とする請求項７に記載の空間加熱方法。